ВОДОРОДНЫЕ ПАРОГЕНЕРАТОРЫ ДЛЯ ПЕРСПЕКТИВНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Доктор физико-математических наук С.П. МАЛЫШЕНКО (Объединенный институт высоких температур РАН)
Одно из наиболее перспективных направлений использования новых водородных технологий в большой энергетике - создание водородных систем аккумулирования электроэнергии и покрытия неравномерностей графиков нагрузки на электростанциях.
Ключевым новым элементом таких систем являются водородные парогенераторы.
По своему назначению водородно-кислородный парогенератор, конструкция которого приведена ниже, выполняет функции парового котла, снабжая паротурбинную установку рабочим телом высокой чистоты, практически любых параметров и с замечательными энергетическими свойствами, характерными для водяного пара. При этом реализуются два основных преимущества водородно-кислородного парогенератора: 1) полное отсутствие возможности образования оксидов азота, диоксида углерода, оксидов серы и других вредных веществ, требующих огромных материальных затрат для их подавления и часто ограничивающих технические возможности котлов, и 2) чрезвычайная компактность, связанная с протеканием процессов горения водорода при высоком давлении, необходимом для рабочего процесса паротурбинной установки.
В таблице 1 приведены основные сравнительные характеристики традиционных и водородно-кислородных парогенераторов.
В традиционных парогенераторах максимальная температура пара ограничивается значениями 600-620 °С,
поскольку при более высоких температурах нельзя обеспечить длительную прочность трубной системы, внутри которой протекает этот пар.
/- \
Таблица 1
Сравнительные характеристики
традиционных и водородно-кислородных парогенераторов
Тип парогенератора
Параметр традиционный Н2/О2-парогенератор
Топливо Органическое н2
Окислитель Кислород воздуха о2
Максимальная
температура
пара, °С 600-620 1000-1700
Удельная тепло-
вая мощность
камеры сгорания,
МВт/м3 0.1-1 > 103
Удельный
объем установки,
м3/МВт (2-3) х 102 < 10-2
Способ передачи Через Смешение
тепла рабочему металли-
телу ческую стенку
Температура 200 (пле-
стенки паро- ночное
генератора, °С 600-850 охлаждение водой) 500-1000 (охлаждение паром)
КПД 0.85-0.96 0.995
Время запуска, с > 104 <50
Выбросы со2, ЭОх, сажа Нет
2
© С.П. Малышенко
ПРОБЛЕМЫ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
В водородно-кислородных парогенераторах трубная система отсутствует вообще, а зона горения ограничена экраном с тонкими стенками, не нагруженными перепадом давления. Поэтому в Н2/02-парогенераторе температура пара на выходе не ограничивается самим парогенератором, а зависит в основном от длительной прочности систем, работающих на паре из парогенератора.
При разработках Н2/02-парогенерато-ров используется богатый опыт создания ракетных двигателей (ЖРД) и высокотемпературных паро- и газогенераторов. Вместе с тем необходимо решить ряд новых сложных научно-технических задач. В отличие от ЖРД для Н2/О2-па-рогенераторов характерны сложные нелинейные связи между расходами топ-
Рис. 1.
Схема водородно-кислородного парогенератора:
I - камера подачи кислорода; 2- камера подачи водорода;
3, 4 - камеры подачи холодной воды для охлаждения пламенной трубы соответственно с внутренней и внешней поверхностей;
5 - корпус камеры сгорания;
6 - пламенная труба камеры сгорания;
7 - камера балластной воды:
8 - цилиндрический экран;
9 - измерители давления;
10 - корпус камеры смешения;
II - газоанализатор;
12 - измеритель температуры;
13 - запальное устройство:
14 - корпус узла впрыскивания балластной воды.
н2о**
лива, окислителя и балластной воды, которая одновременно является теплоносителем и обеспечивает охлаждение и тепловую стабилизацию огневого блока установки.
Поскольку Н2/О2-парогенератор должен давать возможность турбоустанов-кам работать на переменных режимах в широком интервале мощностей, обеспечивая заданные расход, температуру (до 1200 °С) и давление (до 7-10 МПа) пара при общем ресурсе около 10 000 ч, проблемы согласования расходов компонентов и охлаждающей воды становятся весьма сложными и требуют нетривиальных подходов при их решении.
Особая задача - поддержание высокой полноты сгорания топлива (более 99%) при стехиометрическом составе и подавление эффектов "закалки" состава компонентов в камерах сгорания и смешения в целях безопасности энергоустановки.
Важнейшая проблема - разработка систем топливообеспечения, управления и диагностики. В целом по сложности решаемых задач и по их объему создание эффективных и недорогих Н2/О2-парогенераторов приближается к разработкам новых водородных ракетных двигателей и связано с выполнением большого объема экспериментальных исследований, опытно-конструкторских работ и испытаний экспериментальных устройств.
На рис. 1 показана схема экспериментального энергетического водородно-кислородного парогенератора.
Парогенератор состоит из трех основных узлов: смесительной головки, в центре которой помещено запальное устройство 13; камеры сгорания, состоящей из корпуса 5 и помещенной в него пламенной трубы 6; узла впрыска балластной воды, камер испарения и смешения. Газообразный водород Н2 поступает в камеру 2 и из нее - к множест-
3
ву цилиндрических отверстии в огневой стенке смесительной головки, из которых он направляется в зону горения внутри пламенной трубы 6, выполненной из специальной бронзы с высокой теплопроводностью. В эту же зону из камеры 1 приходит кислород 02. В результате горения при стехиометрическом соотношении водорода и кислорода образуется теплоноситель при давлении 7 МПа и температуре 3327 °С. Этот теплоноситель, состоящий из паров воды, локализуется внутри пламенной трубы. Изнутри и снаружи пламенная труба обтекается защитной пленкой воды (потоки Н2О и Н2О* на рис. 1).
Рис. 2.
Технологическая схема использования водорода в качестве топлива на ТЭС:
1 - источники водорода и кислорода;
2 - хранилища;
3 - водородно-кислородный парогенератор свежего пара;
4 - ЧВД паровой турбины;
5 -дожимные компрессоры;
6 - водородно-кислородный парогенератор
для промежуточного пара;
7 - ЧНД паровой турбины;
8 - конденсатор;
9 - конденсатный насос;
10 - генератор;
11 - бак запаса конденсата;
12 - питательный насос.
Образующийся пар невозможно использовать в турбине из-за его чрезмерно высокой температуры. Поэтому в него впрыскивают балластную воду (поток Н2О** на рис. 1).
Ее расход может составлять более 65% расхода пара, причем 3/4 этой воды вводят в начальное сечение камеры смешения. Вода смешивается с горячим паром, испаряется, и температура пара на выходе из камеры смешения снижается до необходимой.
Подчеркнем, что в рассматриваемом парогенераторе имеются только потери тепла в окружающую среду на нагревание воздуха, которые малы, и поэтому его КПД близок к 100%.
Экспериментальные Н2/02-парогене-раторы тепловой мощностью до 25 МВт созданы кооперацией ОИВТ РАН-ОАО (г. Воронеж). В настоящее время выполняется комплекс исследований в обеспечении создания опытно-промышленных изделий.
По результатам испытаний экспериментальных изделий и исследования процессов генерации пара в различных режимах разработаны предложения по программе дальнейших исследований и разработок опытно-промышленных прототипов Н2/02-паро-генераторов тепловой мощностью от 0.15 до 30 МВт. В разработках этой новой техники сегодня Россия лидирует.
На рис. 2 представлена принципиальная технологическая схема водородного энергоблока. Аккумулированные в хранилищах водород и кислород с помощью дожимных компрессоров 5 направляются в два водородно-кисло-родных парогенератора 3 и 6. Парогенератор 3 служит для получения свежего пара.
Необходимая температура перед ЧВД (частью высокого давления) паровой турбины получается
4
за счет впрыска питательным насосом 12 конденсата отработавшего в турбине пара. Пар, поступивший в ЧВД, расширяется, совершает работу и как балластный направляется в парогенератор 6, который скорее можно назвать водо-родно-кислородным промежуточным пароперегревателем. В нем высокотемпературный пар, образовавшийся при сжигании водорода в кислороде, смешивается с паром, пришедшим из ЧВД, для получения нужной температуры пара перед и за частью низкого давления (ЧНД) 7. Из турбины пар направляется в обычный конденсатор, конденсируется в нем и конденсатным насосом 9 подается в бак 11. Затем конденсат частично расходуется в паротурбинном цикле (питательным насосом 12 он подается на впрыск в парогенератор 3), а частично выводится из цикла, например, в электролизную установку или для других целей.
Вариантов основной схемы использования водорода для функционирования ТЭС бесконечно много.
Например, без больших затрат может быть организован регенеративный подогрев паром отборов турбины питательной воды, поступающей в парогенератор 6, что позволяет уменьшить расход пара в конденсатор, где теплота конденсации отдается охлаждающей воде, и повысить КПД паротурбинной установки.
Можно ввести второй промежуточный перегрев пара, установив третий водо-родно-кислородный пароперегреватель, и тем самым снять проблему эрозии рабочих лопаток последней ступени турбины, которые приходится менять каждые 5-7 лет.
Большие возможности заложены в повышении экономичности и надежности и снижении стоимости турбоустано-вок АЭС. Установив за реактором водородный пароперегреватель, можно получить на входе в турбину перегретый пар и избавиться от неэффективных и очень металлоемких сепараторов. Промежуточный перегрев пара можно обеспечить не с помощью свежего пара в гро-
моздких пароперегревателях, а посредством компактного пароперегревателя. При этом экономичность турбоустанов-ки можно повысить с 33 до 40-42%.
Использование Н2/О2-пароперегрева-телей в энергоблоках АЭС тем более целесообразно, что АЭС также относятся к относительно экологически чистым источникам электроэнергии.
Отмечая широкие возможности применения Н2/О2-парогенераторов в паротурбинных технологиях, необходимо подчеркнуть, что поскольку водород является вторичным энергоносителем, то есть довольно дорогим топливом, рабочий цикл энергоустановок следует
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.